Các vấn đề điều khiển và chứng minh tính ổn đinh dựa theo tiêu chuẩn Lyapunov.Với việc sử dụng bộ phận thông tin phản hồi của Robot và vị trí tác dụng, vấn đề điều khiển chỉ ra rằng điểm
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGƠ VIỆT HỊA ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT GRYPHON THEO PHƯƠNG PHÁP JACOBIAN XẤP XỈ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Hà Nội - 2008 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205046511000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGƠ VIỆT HỊA ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG ROBOT GRYPHON THEO PHƯƠNG PHÁP JACOBIAN XẤP XỈ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGUYỄN PHẠM THỤC ANH Hà Nội - 2008 mơc lơc danh mơc c¸c b¶ng danh mục hình vẽ, đồ thị Lời nói đầu Ch¬ng 1: Tỉng quan vỊ robot c«ng nghiƯp .10 1.1 Định nghĩa robot công nghiệp (RBCN) 10 1.2 Tự động hóa robot c«ng nghiƯp 11 1.3 Sơ lợc lịch sử phát triển Robot công nghiệp 12 1.4 Các đặc tính robot công nghiệp 15 1.4.1 T¶i träng 15 1.4.2 TÇm víi 15 1.4.3 Độ phân dải không gian 15 1.4.4 Độ xác 16 1.4.5 Độ lặp lại 16 1.4.6 §é nhón 16 1.5 HƯ thèng robot c«ng nghiƯp 16 1.5.1 HÖ thèng chun ®éng robot 16 1.5.1.1 BËc tù cña robot 18 1.5.1.2 Khíp robot 18 1.5.1.3 Cæ tay robot 18 1.5.1.4 Bàn tay robot (cơ cấu tác động cuối) 19 1.5.1.5 Các dạng cấu hình học không gian làm việc RBCN 20 1.5.2 HƯ thèng trun ®éng robot 21 1.5.2.1 Trun ®éng thđy lùc 21 1.5.2.2 Trun ®éng khÝ nÐn 22 1.5.2.3 TruyÒn ®éng ®iÖn 22 1.5.3 HƯ thèng ®iỊu khiĨn robot 23 1.5.4 HƯ thèng c¶m biÕn 24 1.5.4.1 C¶m biÕn néi tuyÕn 24 1.5.4.2 Cảm biến ngoại tuyến 24 1.6 øng dơng cđa robot c«ng nghiƯp 24 1.6.1 øng dơng robot vËn chun, bèc dì vËt liƯu 25 1.6.2 øng dơng robot lÜnh vùc gia c«ng vËt liƯu 25 1.6.3 øng dơng robot lắp ráp kiểm tra sản phẩm 25 Chơng 2: động học vị trí robot gryphon 26 2.1 Giíi thiƯu vỊ robot Gryphon 26 2.1.1 Các thông số động học Robot Gryphon 27 2.1.2 Vïng lµm viƯc cđa Robot Gryphon EC 28 2.2 Các phép biến đổi toạ độ dùng ma trËn thuÇn nhÊt 29 2.2.1 BiĨu diƠn ma trËn 29 2.2.1.1 BiĨu diƠn mét điểm hay vectơ không gian: 29 2.2.1.2 BiĨu diƠn mét khung täa ®é: 30 2.2.1.3 BiĨu diƠn đối tợng không gian 31 2.2.2 Các phép biến đổi 32 2.2.2.1 Phép biến đổi tịnh tiến đơn 32 2.2.2.2 PhÐp biÕn ®ỉi quay ®¬n 32 2.2.2.3 PhÐp biĨu diƠn kÕt hỵp 33 2.2.3 PhÐp biÕn ®ỉi biĨu diễn vị trí hớng tay robot so với thân robot 33 2.3 Bài toán động lực học thuËn 36 2.3.1 Phơng pháp thiết kế khung tọa độ - PhÐp biĨu diƠn Danevit - Hartenberg 36 2.3.1.1 Tham sè cđa nèi vµ khíp 36 2.3.1.2 Nguyên tắc thiết kế khung tọa độ 37 2.3.1.3 Quan hÖ hai khung tọa độ n-1 n 38 2.3.2 Phơng trình động học thuËn cña robot Gryphon 38 2.3.3 Ma trËn Jacobian 41 Chơng 3: động lực häc robot gryphon .43 3.1 Bµi toán động lực học 43 3.2 Phơng trình Lagrange 44 3.3 Phơng trình động lực học Robot Gryphon 45 3.3.1.Động nối 45 3.3.1.1 Động nối 1: 45 3.3.1.2 §éng nối 2: 45 3.3.1.3 Động nối 3: 46 3.3.1.4 Tổng động năng: 46 3.3.2 Phơng trình ®éng lùc häc viÕt cho c¸c nèi 47 3.3.2.1.Phơng trình động lực học viết cho nèi 47 3.3.2.2 Phơng trình động lực học viết cho nối 48 3.3.2.3.Phơng trình động lực học viÕt cho nèi 49 3.3.2.4 Phơng trình động lực học tổng quát robot Gryphon 49 CHƯƠNG 4: ĐIềU KHIểN CHUYểN Động robot Gryphon với động học động lực học x¸c .52 4.1 Kh¸i qu¸t 52 4.1.1 Phân loại yêu cầu điều khiển chuyển động 52 4.1.1.1 Điều khiĨn vÞ trÝ 52 4.1.1.2 Điều khiển bám quỹ đạo 53 4.1.2 Phân loại hệ thống điều khiển chuyển động 54 4.1.2.1 Phân loại theo không gian điều khiển, ta có hệ thống điều khiển không gian khớp hệ thống điều khiển không gian làm việc 54 4.1.2.2 Phân loại theo mức ®é rµng bc cđa robot, ta cã hƯ thèng ®iỊu khiển phân tán hệ thống điều khiển tập trung 55 4.1.2.3 Ph©n loại theo thay đổi tham số, ta có hệ thống điều khiển không thích nghi, hệ thống điều khiển thích nghi hệ thống điều khiển bền vững 56 4.2 Mét sè bé ®iỊu khiĨn 56 4.2.1 Hệ thống điều khiển không gian khíp 56 4.2.1.1 HƯ thèng ®iỊu khiĨn ph¶n håi PD bï träng lùc .57 4.2.1.2 Hệ thống điều khiển mômen tính toán 64 4.2.2 HƯ thèng ®iỊu khiển không gian làm việc 66 4.2.2.1 HƯ thèng ®iỊu khiĨn ma trËn Jacobian chun vị 66 4.2.2.2 Hệ thống điều khiển ma trận Jacobian nghịch đảo 72 4.3 NhËn xÐt 77 Chơng 5: điều khiển chuyển động robot Gryphon theo phơng pháp jacobiAn xấp xỉ 81 5.1 Đặt vÊn ®Ị 81 5.2 Điều khiển điểm đặt với phơng pháp Jacobian xấp xỉ 82 5.2.1 Nhắc lại phơng trình động lực học phơng trình động học tổng quát 82 5.2.2 Điều khiển điểm đặt theo phơng pháp Jacobian xấp xỉ 83 5.2.2.1 Bộ điều khiển điểm đặt Jacobian xÊp xØ bï träng lùc 83 5.2.2.2 Bộ điều khiển điểm đặt Jacobian xấp xỉ thích nghi với trọng lực xác 92 5.3 Điều khiển bám quỹ đạo với phơng pháp Jacobian xÊp xØ thÝch nghi 97 5.3.1 C¬ së lý thuyÕt 97 5.3.2 Thiết kế điều khiển bám quỹ đạo Jacobian xấp xỉ thích nghi cho robot Gryphon 101 kÕt luËn 109 tài liệu tham khảo 110 phô lôc 111 danh mục bảng Bảng 1: Các thông số động học Robot Gryphon 27 B¶ng 2: B¶ng tham sè D-H 39 danh mục hình vẽ, đồ thị Hình 1.1 Robot công nghiệp IRB - 7600 11 H×nh 1.2 Hình dạng khí RBCN 17 H×nh 1.3 Hai thÝ dơ vỊ bµn tay robot 20 Hình 1.4 Sơ đồ khối hƯ trun ®éng thđy lùc 21 H×nh 2.1: Robot Gryphon 26 Hình 2.2: Các thông số động học 28 H×nh2.3: Vïng làm việc chuyển động 28 Hình 2.4 Biểu diễn điểm kh«ng gian 29 Hình 2.5 Biểu diễn khung tọa độ B khung täa ®é A 30 Hình 2.6 Biểu diễn vật thể rắn không gian 31 H×nh 2.7 Khung täa ®é tay khung täa ®é gèc 34 H×nh 2.8 ThiÕt kÕ khung täa ®é nèi 36 Hình 2.9 Khung tọa độ nèi 39 Hình 4.1 Tay robot chuyển động từ ®iĨm ®Çu ®Õn ®iĨm mong mn 53 Hình 4.2 Tay robot bám theo quỹ đạo chuyển động mong muốn 54 Hình 4.3 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển không gian khớp 55 Hình 4.4 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển không gian làm việc 55 Hình 4.5 Sơ đồ khối tổng quát hệ thống điều khiển phản hồi 57 Hình 4.6 Sơ đồ mô hệ điều khiểnphản håi PD bï träng lùc kh«ng gian khíp 61 H×nh 4.7 Gãc quay khíp 62 H×nh 4.8 Gãc quay khíp 62 H×nh 4.9 Gãc quay khíp 63 Hình 4.10 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển mômen tính toán 64 Hình 4.11 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ma trận Jacobian chuyển vị 68 Hình 4.12 Sơ đồ Simulink mô hệ thống điều khiển ma trận Jaccobian chuyển 69 Hình 4.13 Tọa độ x điểm tác ®éng cuèi 70 Hình 4.14 Tọa độ y điểm tác động cuối 70 H×nh 4.15 Tọa độ z điểm tác động cuối 71 Hình 4.16 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển ma trận Jacobian nghịch đảo 73 Hình 4.17 Sơ đồ Simulink mô hệ thống điều khiển ma trận Jaccobian nghịch đảo 74 Hình 4.18 Tọa độ x điểm tác động cuối 75 Hình 4.19 Tọa độ y ®iĨm t¸c ®éng ci 75 Hình 4.20 Tọa độ z điểm tác ®éng cuèi 76 Hình 4.21 Sơ đồ mô hệ điều khiển Jacobian chuyển vị với động học không xác 78 Hình 4.22 Tọa độ x ®iĨm t¸c ®éng ci 79 Hình 4.23 Tọa độ y điểm tác ®éng cuèi 79 Hình 4.24 Tọa độ z điểm tác động cuối 80 H×nh 5.1 Sơ đồ mô hệ điều khiển điểm đặt Jacobian xÊp xØ bï träng lùc 89 H×nh 5.2 Tọa độ x điểm tác động cuối 90 H×nh 5.3 Täa ®é y cđa ®iĨm t¸c ®éng ci 90 Hình 5.4 Tọa độ z điểm tác động cuối 91 Hình 5.5 Sơ đồ mô hệ điều khiển điểm đặt Jacobian xấp xỉ thích nghi 95 Hình 5.6 Tọa độ x điểm tác động cuối 96 Hình 5.7 Tọa độ y điểm tác ®éng cuèi 96 Hình 5.8 Tọa độ z điểm tác động cuèi 97 Hình 5.9 Sơ đồ mô hệ điều khiển bám quỹ đạo Jacobian xấp xỉ thích nghi 104 Hình 5.10 Sơ đồ cấu trúc khối Subsystem1 104 Hình 5.11 Sơ đồ cấu trúc khèi Subsystem2 105 Hình 5.12 Tọa độ x điểm tác động cuối 106 H×nh 5.13 Tọa độ y điểm tác động cuối 107 Hình 5.14 Tọa độ z điểm tác động cuối 107 Lời nói đầu Thật thú vị quan sát hành động với tay ngời, điều mà ta không cần biết cách xác chuyển động học động lực cánh tay Chúng ta cầm nhắc công cụ hay đối tợng vận hành cách tài tình để thực nhiƯm vơ mµ chØ sư dơng viƯc hiĨu biÕt mét cách xấp xỉ chiều dài, khối lợng, hớng điểm cầm công cụ Với khả cảm nhận đáp ứng lại thay đổi không cần đến hiểu biết xác chuyển đổi từ cảm nhận sang hành động Điều ®· gióp chóng ta cã ®é tinh x¶o, tinh tÕ cao với thay đổi trớc đợc sống Với phát triển không ngừng khoa học kỹ thuật, máy móc thiết bị công nghiệp ngày phải đáp ứng yêu cầu phức tạp hơn, đạt suất cao làm việc cách xác Trong kỷ 20 bớc sang kỷ 21, phát triển công nghệ chế tạo, điều khiển Robot bớc tiến mạnh mẽ khoa học kỹ thuật Robot công nghiệp cấu khí lập trình đợc thực đợc công việc có ích cách tự động không cần giúp đỡ trực tiếp ngời Ngày Robot đà trở thành công cụ thiếu nhà máy, xí nghiệp có mức độ tự động hoá cao Robot đảm nhận công việc khó khăn thay ngời nh làm việc môi trờng độc hại, nguy hiểm, môi trờng phóng xạ hay nhiệt độ cao Hơn nữa, Robot ®ỵc øng dơng nhiỊu lÜnh vùc khoa häc nh y tế, sinh học, thăm dò địa chất, thám hiểm không gian đời sống nh bán hàng, làm việc nhà Trớc đây, nghiên cứu điều khiển Robot phần lớn thừa nhận động học Robot biết xác ma trận Jacobian tay máy từ không gian khớp nối đến hệ toạ độ Đêcác phải đợc biết Khi động học xác nhận đợc góc khớp nối mong muốn từ thành phần tác động cuối mong muốn việc giải vấn đề động học ngợc Hơn nữa, ma trận Jacobian việc đặt từ vị trí khớp nối đến vị trí thực nhiệm vụ biết đợc xác Giả định dẫn đến số vấn đề việc phát triển luật điều khiển Robot ngày Chúng ta cần biết xác chiều dài khuỷ tay, khớp nối khuỷ ống đối tợng mà Robot cầm, nắm, nhiên, thực tế thông số vật lý nhận đợc cách xác Hơn nữa, Robot cầm, nâng đối tợng hay dụng cụ có độ dài khác nhau, không rõ hớng điểm kẹp, tính động học nói chung thay đổi mà khó để lấy đợc xác Nội dung luận văn sâu tìm hiểu Điều khiển chuyển động Robot theo phơng pháp Jacobian xấp xỉ động học động lực học xác Các vấn ®Ị ®iỊu khiĨn vµ chøng minh tÝnh ỉn ®inh dùa theo tiêu chuẩn Lyapunov.Với việc sử dụng phận thông tin phản hồi Robot vị trí tác dụng, vấn đề điều khiển điểm tác động cuối có khả đáp ứng đợc chuyển động mong muốn điều kiện không xác tính động học động lực học Điều cho Robot khả xử lý tinh vi cấp cao với thay đổi không xác định trớc không chắn động học động lực học, diều mà tơng tự nh chuyển động với tay vận hành công cụ ngời Luận văn đợc trình bày thành chơng với nội dung chơng đợc tóm tắt nh sau: Chơng 1- Tổng quan Robot công nghiệp: Tóm tắt sơ lợc trình đời phát triển robot công nghiệp, mối quan hệ robot công nghiệp tự động hoá; Đa đặc tính robot công nghiệp thành phần hệ thống robot công nghiệp Chơng 2- Động học vị trí Robot Gryphon: giới thiệu Robot Gryphon thành lập phơng trình động học vị trÝ robot Gryphon, tõ ®ã ®a ma trËn Jacobian biểu diễn mối quan hệ tốc độ tay Robot tốc độ khớp nối Robot Chơng - Động lực học Robot Gryphon: Trình bày sở lý thuyết phơng trình Lagrange, thành lập phơng trình động lực học robot Gryphon; Dùa vµo